直流伺服电动机的工作原理及应用

1.直流伺服电动机的分类和结构

直流伺服电动机按其结构原理不同，可分为传统型直流伺服电动机和低惯量型直流伺服电动机两大类。

传统型直流伺服电动机的基本结构和工作原理与普通直流电动机的相同，不同点只是它的转子做得细长一些，以满足快速响应的要求。传统型直流伺服电动机按励磁方式的不同，可分为电磁式直流伺服电动机和永磁式直流伺服电动机两种。电磁式直流伺服电动机又分为他励式、并励式和串励式，但一般多用他励式。

低惯量型直流伺服电动机有盘形电枢式直流伺服电动机、空心杯电枢式直流伺服电动机、无刷电枢式直流伺服电动机和无槽电枢式直流伺服电动机等几种。

1）盘形电枢式直流伺服电动机

盘形电枢式直流伺服电动机的结构如图5.17所示。定子上有永久磁铁，气隙位于圆盘两边，圆盘上有印刷绕组或绕线式绕组；绕组的径向段为有效部分，电流沿径向流过圆盘，电枢绕组有效部分的裸导体表面兼作换向器。盘形电枢式直流伺服电动机的国产型号为SN。

图5.17　盘形电枢式直流伺服电动机的结构

1—前盖；2—电刷；3—盘形电枢；4—永久磁铁；5—后盖

2）空心杯电枢式直流伺服电动机

空心杯电枢式直流伺服电动机的结构如图5.18所示。外定子为磁钢，内定子为软磁材料，或反之；非磁性空心杯电枢上可为印刷绕组，也可为绕线式绕组；空心杯直接装在电动机轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。空心杯电枢式直流伺服电动机的国产型号为SYK。

3）无刷电枢式直流伺服电动机

无刷电枢式直流伺服电动机的结构如图5.19所示。电枢绕组在定子上做成多相式，转子用永久磁铁做成，由晶体管开关电路和位置传感器代替电刷和换向器。无刷电枢式直流伺服电动机的国产型号为SW。

图5.18　永磁式直流伺服电动机的结构

1—换向器；2—电刷；3—空心杯电枢；4—外定子；5—内定子

图5.19　无刷式直流伺服电动机的结构

1—机壳；2—电枢；3—外转子；4—磁钢；5—霍尔位置传感器

4）无槽电枢式直流伺服电动机

无槽电枢式直流伺服电动机的结构如图5.20所示。电枢铁芯上无槽，电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂将它与电枢铁芯固化为一个整体；定子磁极为电磁或永磁式。无槽电枢式直流伺服电动机的国产型号为SWC。

图5.20　无槽电枢式直流伺服电动机的结构

2.直流伺服电动机的工作原理(www.xing528.com)

图5.21所示为直流伺服电动机的电气原理图，直流伺服电动机的基本工作原理与普通他励直流电动机的完全相同，依靠电枢电流Ic 与气隙磁通Φ 的作用产生电磁转矩T，使伺服电动机转动。

如图5.21（a）所示，在保持励磁电压Uf 不变的条件下，通过改变控制电压Uc 的大小和极性来控制伺服电动机的转速和转向。控制电压Uc 越小，则转速n 越低；当控制电压Uc=0时，Ic=0，T=0，电动机停转。由于控制电压Uc 为零时，电枢电流Ic 和电磁转矩T 均为零，电动机不产生电磁转矩，故直流伺服电动机不会出现“自转”现象，所以，直流伺服电动机是自动控制系统中一种很好的执行元件。

图5.21　直流伺服电动机的电气原理图

3.直流伺服电动机的控制特性

1）机械特性

直流伺服电动机的机械特性是指保持励磁电压Uf 恒定，改变电枢控制电压Uc，其转速n与电磁转矩T 之间关系，二者的关系为式（2.12），即

由上式可以看出：改变控制电压Uc 和改变磁通Φ 都可以控制伺服电动机的转速和转向。前者是电枢控制，使用较多，后者是励磁控制。其机械特性曲线如图5.22（a）所示。

图5.22　直流伺服电动机的控制特性曲线

直流伺服电动机的机械特性曲线有如下特征：

（1）一定负载转矩下，当磁通Φ 不变时，Uc 增大将导致n增大，特性曲线为一簇平行直线；

（2）Uc=0时，n=0，电磁转矩T=0，电动机立即停转，无“自转”现象；

（3）控制电压Uc 越大，则n=0时对应的启动转矩Tst也越大，有利于电动机启动。

2）调节特性

调节特性是指电磁转矩T 一定时，直流伺服电动机的转速n 与控制电压Uc 之间的关系曲线n=f（Uc），调节特性曲线如图5.22（b）所示。

调节特性曲线与横轴的交点表示在某一电磁转矩T 时电动机的始动电压，用Uc0表示。若负载转矩TL 一定时，当控制电压Uc 大于始动电压Uc0，直流伺服电动机便启动并达到某一转速；反之，当控制电压Uc 小于始动电压Uc0，直流伺服电动机则不能启动。

一般将调节特性曲线上横坐标从零到始动电压Uc0这一范围称为失灵区。失灵区的大小与负载转矩TL 成正比，负载转矩TL 越大，失灵区越宽。但同样的负载转矩TL 下，失灵区越窄，则灵敏度越高。

4.直流伺服电动机的控制方式

直流伺服电动机的控制方式有电枢电压控制和磁场控制两种方式。直流伺服电动机反转可采用改变电枢控制电压Uc 的极性和改变磁通Φ 的方向两种方式，直流伺服电动机的调速可采用改变电枢电压和励磁磁通的大小两种方式，通常采用改变电枢电压方式。

5.直流伺服电动机的特点及应用

直流伺服电动机在电枢控制方式运行时，特性曲线的线性度好，调速范围大，效率高，启动转矩大，没有“自转”现象，可以说，具有理想的伺服性能。但是，直流伺服电动机电刷和换向器的接触电阻数值不够稳定，对低速运行的稳定有一定影响。此外，电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生有害的电磁波干扰。

直流伺服电动机的输出功率一般为1～600 W，比较大，通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制、数控机床中的工作台的位置控制等。